1 引言

         隨著電子信息技術不斷發(fā)展, 嵌入式系統(tǒng)的應用越來越廣泛。在嵌入式電子測量系統(tǒng)中, LCD（Liquid Crystal Display,液晶顯示器）作為人機交互的主要設備,具有功耗低、外形尺寸小和優(yōu)越的字符和圖形顯示功能。WindowsCE是嵌入式實時操作系統(tǒng)，它友好的圖形界面，成為嵌入式開發(fā)的主流操作系統(tǒng)，它使用圖形設備接口（GDI）來處理程序的圖形輸出，利用GDI所提供的眾多函數(shù)可方便地在LCD屏幕上輸出圖形和文本[1]。

        基于嵌入式處理器IntelPXA270和WindowsCE設計LCD系統(tǒng)的原理，為嵌入式便攜設備提供了一種在高亮度顯示條件下維持低功耗的解決方案，適用于高檔PDA、便攜媒體播放器、手持式導航儀、便攜醫(yī)療和測試設備等領域，下文將介紹中國航空工業(yè)第608研究所新開發(fā)的鐵路機車故障診斷車載裝置LCD設備的主要設計原理。

2 基于IntelPXA270的LCD硬件系統(tǒng)

         系統(tǒng)采用基于ARM處理核的IntelPXA270處理器, 64MB的SDRAM，M-System的DOC(Disk On Chip)H3芯片作為存儲系統(tǒng)，外接16位的800×480的TFT顯示屏。

2.1 ARM處理器IntelPXA270及其LCD控制

        IntelPXA270是Intel公司推出的基于ARM微處理核的嵌入式處理器，主頻最高可達624MHz，IntelPXA270加入了Wireless MMX技術，大大提升了多媒體處理能力；同時還加入了Intel SpeedStep動態(tài)電源管理技術,在保證CPU性能的情況下,最大限度地降低了設備功耗。

        IntelPXA270內置的LCD控制器為IntelPXA270處理器和平板顯示器提供了一個接口，它所支持的平板顯示器包括被動的DSTN液晶屏、主動的TFT液晶屏以及帶有內部幀緩沖區(qū)的液晶屏，中國航空工業(yè)第608研究所新開發(fā)的鐵路機車故障診斷車載裝置LCD設備使用的是TFT液晶屏。

        LCD控制器用于傳輸顯示數(shù)據(jù)并產生必要的控制信號，表1[2]是IntelPXA270內置的LCD控制器的控制信號：

表1 LCD控制器的控制信號

IntelPXA270內置的LCD控制器支持多種顯示模式，其中包括了像素的數(shù)據(jù)格式，顯示屏的大小、掃描方式

、顏色模式等。IntelPXA270 LCD控制器內部帶有很多寄存器，用于針對不同的液晶屏和不同的顯示模式

進行配置。LCD控制器帶有專用的DMA，它可以自動地將顯示數(shù)據(jù)從幀內存?zhèn)魉偷絃CD驅動器，通過專用DMA

，可以在不需要CPU介入的情況下顯示數(shù)據(jù)。
 
2.2 TFT LCD液晶屏

        TFT LCD是FG070053DSSWJGT1顯示屏，顯示屏大小為7寸，分辨率為800×480，其內部集成了輸入

控制單元、TFT顯示模塊，掃描驅動IC，背光燈，DC/DC電壓轉換器，數(shù)據(jù)驅動IC等,圖1為

FG070053DSSWJGT1顯示屏內部結構[3]。

圖1 TFT內部功能及接口

        TFT LCD顯示屏要求的時序由幀同步（VSYNC）、行同步（HSYSNC）、比特時鐘（DCLK）及數(shù)據(jù)（Data[0：15]）構成，幀同步和行同步指示每一幀和每一行的開始，如圖2所示。

圖2 TFT LCD時序圖

2.3 TFT屏的顯示接口電路[!--empirenews.page--]

        結合IntelPXA270內置的LCD控制器和FG070053DSSWJGT1液晶屏的內部結構以及時序圖的分析，設計LCD顯示接口電路，主要是把IntelPXA270的控制信號與LCD屏的控制引腳連接起來，如圖3所示。通過16位數(shù)據(jù)線把LCD控制器的數(shù)據(jù)發(fā)送腳與FG070053DSSWJGT1的數(shù)據(jù)接收腳連接起來，即把（R0—R4，G0—G5，B0—B4）與L_DD0-L_DD15連接起來；把幀時鐘，行時鐘，像素時鐘等與LCD屏連接； ADJ采用電壓為0—3.0V、 頻率為20KHZ的PWM脈沖，調節(jié)液晶屏背光燈的亮度，在滿足用戶要求的同時還可有效地控制功耗。圖3中，網絡標號LCLK是行時鐘控制信號，F(xiàn)CLK是幀時鐘控制信號，PCLK是像素時鐘控制信號，OE為數(shù)據(jù)輸出使能信號。VDD由直流5V穩(wěn)壓電源提供，U/D通過電阻拉低后對屏幕提供上下翻轉信號，L/R支持屏幕左右翻轉控制。

圖3 TFT LCD接口電路

3 LCD顯示程序的設計

        在WindowsCE下LCD驅動程序開發(fā)使用基本圖形引擎（GPE）類來實現(xiàn)[1] [5]。在使用GPE類編寫驅動程序之前，首先分析使用GPE類編寫顯示驅動時對顯示設備的要求，內存布局要求顯示設備使用線性幀緩沖區(qū)，全部的顯示內存是連續(xù)的；接下來分析GPE類對內存中數(shù)據(jù)格式的要求。LCD屏是自頂向下的格式，像素（0，0）在左上角，像素（width-1,height-1）在右下角。 幀緩沖區(qū)的步幅，即表示顯示設備上一個掃描行在內存中占的字節(jié)數(shù)，應當是四字節(jié)的整數(shù)倍，即使在每個掃描行的末尾填充一些無用的字節(jié)，CPU不需做“排”選擇也可以存取整個幀緩沖區(qū)，幀緩沖區(qū)不應當使用位面（位面就是每種顏色信道<RGB>在幀緩沖區(qū)進行分開存儲）。

        使用IntelPXA270 內置的LCD控制器，集成了7個通道的DMA，支持像素深度分別為2、4、8、16、18、24位的RGB模式，采用16位RGB模式進行設計。圖像數(shù)據(jù)保存在內存中，使用DMA方式進行幀數(shù)據(jù)存取，幀的大小及幀地址是指定的，可以滿足GPE類的線性幀緩沖區(qū)的要求，LCD控制與LCD屏都滿足WindowsCE 下使用GPE類來實現(xiàn)顯示驅動的硬件要求。

3.1 創(chuàng)建基于GPE類的顯示驅動程序

        使用GPE類簡化了WindowsCE顯示設備的開發(fā)工作，GPE類代表一個顯示設備，是一個純虛的類，設計顯示驅動時必須繼承這個基本GPE類。

        首先定義一個新的類（class SA2Video）來繼承GPE類，根據(jù)GPE類的要求，實現(xiàn)以下函數(shù)：

NumModes ------返回顯示驅動所支持的顯示模式。
GetModeInfo ------返回指定顯示模式的信息，如顯示像素寬度和深度，處理由NumModes()函數(shù)返回的顯示模式，當SetModes()函數(shù)被調用時，總是返回在模式配置列表中的第一個模式值。
SetModes ------設置顯示模式。
AllocSurface------分配一個頁面，頁面僅僅是保存像素數(shù)據(jù)的RAM或視頻RAM，是一個塊內存，GPESurf類能用于代表系統(tǒng)顯存上的一個頁面，保證在視頻RAM上分配一個頁面。
SetPointerShape------設置光標位圖和光標區(qū)。
MovePointer------移動光標。
BltPrepare ------在位塊傳輸操作之前調用，如果驅動支持位塊傳輸之前的操作，它就允許驅動建立硬件位塊傳輸（blit）操作，并返回一個實際操作函數(shù)去執(zhí)行位塊傳輸（blit），在GPE類中提供默認的Blit操作函數(shù)。
BltComplete------在塊傳輸完成之后執(zhí)行，如果有必要的話，它允許設備做任何的清除操作。
Line ------在畫線操作之前和之后調用，如果在畫線之前調用，該函數(shù)可以建立硬件的畫線操作，然后返回GPE默認的畫線操作；如果在畫線之后調用，該函數(shù)可以做任何畫線操作之后的清除。
InVBlank ------標志是否在水平同步周期時顯示更新了。
這些函數(shù)在GPE類的源代碼中為空函數(shù)，所以必須在（class SA2Video）中實現(xiàn)函數(shù)重載。

3.2 創(chuàng)建LCD控制器接口驅動程序

        創(chuàng)建LCD控制器的接口驅動程序主要是完成硬件的配置，包括LCD控制器和IO引腳接口的配置。首先根據(jù)LCD顯示接口的電路連接，配置IntelPXA270內的IO寄存器，然后根據(jù)外接的LCD屏提供的參數(shù)配置LCD控制器，主要是配置TFT接口時序，如幀時鐘，行時鐘，像素時鐘，數(shù)據(jù)輸出使能等[6]。在xllp_lcd.c文件中的XllpLCDInit（）函數(shù)實現(xiàn)硬件的初始化，以下為該函數(shù)的關鍵代碼：

XLLP_STATUS_T XllpLCDInit(P_XLLP_LCD_T pXllpLCD)
{ XLLP_STATUS_T status = 0;
// 初始化IO接口，根據(jù)LCD連接電路圖進行配置
LCDSetupGPIOs(pXllpLCD);
// 初始LCD控制器及幀緩沖區(qū)
LCDInitController(pXllpLCD);
// 清除LCD控制器的狀態(tài)寄存器
LCDClearStatusReg(pXllpLCD);
// 使能LCD 控制器，驅動LCD屏顯示數(shù)據(jù)
LCDEnableController(pXllpLCD);
return status;
}

3.3 LCD控制器顯示模式的設置

        WindowsCE GDI 支持帶有多種顏色灰度和顏色模式的顯示設備，從僅用一位表示的顏色到調色板調制出真32位RGB，每一種格式支持幾種不同的像素排列方式，這取決于對顯示內存的訪問是否支持單字節(jié)方式、雙字節(jié)字方式、四字節(jié)方式。

        使用下列掩碼來提取紅、綠、藍數(shù)值：每個像素用16位表示的格式是一種掩碼格式，并且不被調色，每個像素我們用兩字節(jié)來存儲。結合TFT LCD顯示接口的硬件電路圖和IntelPXA270 內置的LCD控制器，按照IntelPXA270處理器手冊上的說明，需要對控制引腳初始化[7]。在圖3中，第14口用來進行幀時鐘控制，結合IntelPXA270數(shù)據(jù)手冊，我們配置第14口為L_VSYNC功能，用如下語句實現(xiàn)：
GAFR0_L|=((GAFR0_L&～(1u<<29))|(1u<<28))
所有顯示數(shù)據(jù)線L_DD0—L_DD15都設為輸出口，并設為顯示器的數(shù)據(jù)輸出，程序設計如下：[!--empirenews.page--]

p_GPIORegs->GPDR1|=(XLLP_GPIO_BIT_L_DD0|XLLP_GPIO_BIT_L_DD1 |XLLP_GPIO_BIT_L_DD2|XLLP_GPIO_BIT_L_DD3
|XLLP_GPIO_BIT_L_DD4|XLLP_GPIO_BIT_L_DD5)；
p_GPIORegs->GPDR2|=(XLLP_GPIO_BIT_L_DD6|XLLP_GPIO_BIT_L_DD7
|XLLP_GPIO_BIT_L_DD8|XLLP_GPIO_BIT_L_DD9
|XLLP_GPIO_BIT_L_DD10|XLLP_GPIO_BIT_L_DD11
|XLLP_GPIO_BIT_L_DD12|XLLP_GPIO_BIT_L_DD13
|XLLP_GPIO_BIT_L_DD14|XLLP_GPIO_BIT_L_DD15)；
p_GPIORegs->GAFR1_U=(p_GPIORegs->GAFR1_U&~(XLLP_GPIO_AF_BIT_L_DD0_MASK|XLLP_GPIO_AF_BIT_L_DD1_MASK|XLLP_GPIO_AF_BIT_L_DD2_MASK|XLLP_GPIO_AF_BIT_L_DD3_MASK|XLLP_GPIO_AF_BIT_L_DD4_MASK|XLLP_GPIO_AF_BIT_L_DD5_MASK))|XLLP_GPIO_AF_BIT_L_DD0|XLLP_GPIO_AF_BIT_L_DD1|XLLP_GPIO_AF_BIT_L_DD2|XLLP_GPIO_AF_BIT_L_DD3|XLLP_GPIO_AF_BIT_L_DD4|XLLP_GPIO_AF_BIT_L_D；
在WindowsCE下都使用虛擬地址，經過一個映射函數(shù)將用到的物理地址轉化為虛擬地址，這是WindowsCE操作系統(tǒng)所要求的，映射地址的函數(shù)為BOOL MapVirtualAddress()。

        按照屏的顯示模式來配置LCD控制寄存器，其中包括配置LCD控制信號的模式,通過參看IntelPXA270的數(shù)據(jù)手冊和一系列的計算，在掌握TFT LCD時序圖的基礎上進行參數(shù)配置：

L_FCLK為幀時鐘；L_LCLK_A0為行時鐘；L_BIAS為時鐘使能；L_PCLK_WR為像素時鐘，LDD<17:0>為像素點數(shù)據(jù)，在本設計中我們只用到了LDD<15:0>。
ENB：LCD數(shù)據(jù)使能位 HSP：水平時鐘信號電壓極性
0------LCD不可用 0------水平時鐘為高電平有效
1------LCD使能 1------水平時鐘為低電平有效
PCP：像素時鐘電壓極性
0------像素數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)引腳為上升沿時采樣
1------像素數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)引腳為下降沿時采樣

(1)行列的定義：
PPL： LCD屏的水平像素點的個數(shù)。根據(jù)LCD屏的長度來確定其值的大小。
PPL =行寬-1
在本設計中，行寬為800，那么PPL=800-1；
LPP： LCD屏的垂直像素點的個數(shù)。根據(jù)LCD屏的寬度來確定其值的大小。
LPP=列高—1
在本設計中，列高為480，那么LPP=480—1；
(2)L_PCLK_WR：
VCLK是LCD控制器的時鐘信號，此信號是LCD控制器和LCD驅動器之間的象素時鐘信號，VCLK計算時需先了解LCD屏所要求的幀速率的范圍，并由此設定一個在幀速率范圍內的值為CLKVAL，VCLK與CLKVAL之間的關系可用如下公式計算：VCLK(Hz)=HCLK/(（CLKVAL +1)x2)
最小的CLKVAL為0，最大的CLKVAL由幀速率決定[8]。
(3)各種延時的取值：
BFW：一幀開始時所需要的延時長度
EFW：一幀結束時所需要的延時長度
VSW：幀同步信號VSYNC的寬度定義
BLW：一行開始時所需要的延時長度
ELW：一行結束時所需要的延時長度
HSW：行同步信號HSYNC的寬度定義

4 結束語

        基于嵌入式處理器IntelPXA270和WindowsCE進行LCD顯示器設計，采用LCD驅動TFT顯示屏，顯示模式是主動的單掃描彩色模式，像素深度為16位的RGB格式，屏的大小為800×480。通過充分利用IntelPXA270的硬件資源,用IntelPXA270 控制彩色顯示屏,顯示亮度達100尼特，在LCD 高亮度的情況下顯示器的功耗小于365 mW ,克服了一般TFT LCD 高亮度伴隨著高功耗的矛盾；支持用戶定制的TFT 液晶屏上實現(xiàn)WindowsCE 界面的圖形顯示；由于設計的硬件驅動電路只需LCD控制器給出幀同步信號、行同步信號、像素時鐘、數(shù)據(jù)使能信號和RGB數(shù)據(jù)信號，因此，設計的驅動電路能靈活地移植到不同平臺。